JP2011527629A - N2oの分解方法、そのための触媒およびその触媒の調製 - Google Patents

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Abstract

本発明は、触媒の存在下に、N2OおよびNOxを含有するガス中のN2Oを接触分解するための方法であって、前記触媒は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金および金からなる貴金属の群、特にルテニウムおよび白金を含む貴金属の群から選ばれる第1の金属と、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルおよび銅からなる遷移金属の群から選ばれる第2の金属を含み、前記ゼオライトによるこれらの金属の担持は、前記貴金属と前記遷移金属を同時に前記ゼオライトに担持させることにより行われる方法、この方法のための触媒、およびその触媒の調製方法に関する。

Description

発明の分野
本発明は、N2OおよびNOを含有するガス中のN2Oの接触分解方法に関する。また、本発明はそのための触媒、並びにこの触媒の調製に関する。
背景
酸化二窒素あるいは笑気(N2O)は、温室効果の実質的な原因となっており、高い地球温暖化係数(CO2分子との比較におけるある分子が温室効果への寄与する程度)を有する。過去数年で温室効果ガスの放出を減少させる政策が進展された。種々の重要なN2O放出源が同定されている:農業、ナイロン前駆体(アジピン酸およびカプロラクタム)の工業的製造、および三元触媒を備えた自動車である。
笑気を無害化するために、種々の接触および非接触技術を使用することができる。N2OのN2およびO2への接触分解もしくは変換のための種々の触媒が知られている(例えば、遷移金属および貴金属を有する、担体基材上の触媒を記載する日本国特開平06−154611号)。しかしながら、触媒によるこの反応は、上記N2O源の実質的に全ての廃ガス中に存在する酸素および水の存在により大きく阻害される。
他の例は、WO2005/110582に記載されている。この文献は、触媒の存在下における、N2O含有ガス中のN2Oの接触分解方法を記載し、ここで触媒は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金および金を含む貴金属の群から選ばれる第1の金属と、クロム、マンガン、鉄コバルト、ニッケルおよび銅を含む遷移金属の群から選ばれる第2の金属を担持するゼオライトを含み、この方法において、ゼオライトの金属の担持は、まず貴金属を、ついで遷移金属をゼオライトに担持させることにより行われる。
選択的接触還元は、有望な代替手段である。N2Oの、アルケン(Cn2n)、アルコールもしくはアンモニアのような還元剤との反応のための種々の触媒が文献から知られている。飽和炭化水素(Cn2n+2)の添加が、上記還元剤の使用よりも技術的および経済的に好まれている。天然ガス(CH4)およびLPG(C38とC410の混合物)は、この点で魅力的である。
発明の概要
炭化水素を用いてN2Oを還元し得る触媒が関与する方法の不利点は、炭化水素のために余分な設備を必要とし、そして炭化水素および/またはCOが放出され得るということである。環境の観点から、炭化水素の放出を防止するために、余分な触媒がしばしば使用される。
2Oの分解に使用される多くのよく知られた触媒の他の不利点は、それらがしばしば不安定であり、および/またはNOx[NO、NO2、N23(x=3/2)等]、O2およびH2Oのようなガスの存在により失活するということである。しかしながら、これらのガスは、廃ガスからのN2Oを分解するときのような実際の状況においてほとんど常に存在している。
先行技術において特許請求されている触媒のさらなる不利点は、比較的複雑な方法により、あるいはいずれにしろ多段階方法によってしか得ることができないことがあるということである。
従って、本発明は、NOxの存在下でも、N2Oを接触分解するための代替方法であって、上記不利点が部分的にもしくは好ましくは完全に解消される方法を提供することを目的とする。本発明の他の目的は、この方法での使用のための触媒、並びにこの触媒の調製方法を提供することである。
本発明で請求されている触媒は、低温でもN2Oの良好な変換を確保し、分解反応(N2OのN2およびO2への分解)中、安定であり、またN2O含有ガスが他のガス(例えば、NO、NO2、N23等、並びにO2およびH2O)をも含有するときにも良好な変換を確保し、良好な安定性を有する。驚くべきことに、単一工程の調製における2種の触媒活性金属の同時堆積が、同じ濃度の上記2種の触媒活性金属(M1およびM2)を有するが、2つの工程で順次に調製された類似の触媒よりも良好なN2Oの変換を確保することが見いだされた。また、N2O含有ガスに炭化水素を添加する必要がないことも1つの利点である。従って、これらの触媒は、N2Oを分解するために著しく好適である。最後に、同時担持は、順次担持に対し利点である。
本発明は、触媒の存在下に、N2OおよびNOxを含有するガス中のN2Oを接触分解するための方法であって、前記N2OおよびNOx含有ガスを前記触媒と接触させるものであり、ここで前記触媒は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金および金を含む貴金属の群、特にルテニウムおよび白金を含む貴金属の群から選ばれる第1の金属と、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルおよび銅を含む遷移金属の群から選ばれる第2の金属、特に鉄を担持するゼオライトを含み、ここで前記ゼオライトは、特にFER(フェリエ沸石)およびBEA(ゼオライトベータ)を含む群から選ばれ、そしてここで前記ゼオライトによる金属の担持は、前記貴金属と前記遷移金属を同時に前記ゼオライトに担持させることにより行われる。
本発明は、また、N2OおよびNOxを含有するガス中のN2Oの接触分解のための触媒の調製方法を提供するものであり、ここで、前記触媒はゼオライトを含有するものであり、前記触媒の前記調製は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金および金を含む貴金属の群、特にルテニウムおよび白金を含む貴金属の群から選ばれる第1の金属と、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルおよび銅を含む遷移金属の群から選ばれる第2の金属、特に鉄を同時に前記ゼオライトに担持させることを含む。
さらに、本発明は、この方法によって調製することができ、例えば0.00001〜4重量%の前記第1の金属と0.1〜10重量%の前記第2の金属を含有する触媒を提供し、そしてN2Oの分解のためのこの触媒の使用にも及ぶものである。特に、本触媒は、Fe,Pt−BEA、すなわち、鉄と白金を担持したゼオライトを含有する。
発明の説明
前記N2O含有ガスは、例えば硝酸の合成からの廃ガス、あるいは例えばナイロンの前駆体の製造において放出される廃ガスであり得る。このガスは、酸素および/または水を含有してもよい。先行技術において請求されているほとんどの触媒と異なり、本発明で請求される触媒は、酸素、水またはその両者の存在下で、その活性をほとんどまたは全く失わない。このことは、水が約5〜10vol%(すなわち、体積%;体積%は存在し得るいずれものNOx、O2およびH2O等を含むN2O含有ガスの体積についていうものである)までの量で存在する場合に特にいえることである。酸素は、例えば約20%まで、例として0.5〜20vol%の量で存在し得る。また、NOxは、例えば約10ppm〜5%のNOxの量で、例として10ppm〜1vol%のNOxの量で存在し得る。特に、前記N2OおよびNOxを含有するガスは、1〜100000モル/モル、特に1〜1000モル/モルの範囲内のN2O/NOx比を有する。
態様の一つの場合において、本発明は、従って、前記N2OおよびNOxを含有するガスが酸素および/または水を含有する場合の方法に関する。従って、用語「N2OおよびNOxを含有するガス」は、本発明のコンテキストにおいて、当該ガスがいかなる場合でもN2OおよびNOxを含有するものであり、そしてそれがN2、H2O、O2等のようないくつかの他のガスを含んでいてもよいことを意味する。このガス(あるいはガス混合物)は、当業者に知られている方法で触媒と接触させることができる。用語「N2O含有ガス中のN2Oの分解」は、そのガスがいかなる場合にも部分的にN2およびO2に分解する(本発明で請求する触媒により)ことを意味する。
特に、本発明は、N2O含有ガス中のN2Oの接触分解法であって、
− ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金および金を含む貴金属の群、特にルテニウムおよび白金を含む貴金属の群から選ばれる第1の金属と、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルおよび銅を含む遷移金属の群から選ばれる第2の金属、特に鉄とを担持するゼオライトを含む触媒を提供すること、
− N2OおよびNOxを含有するガスを提供し、このN2OおよびNOxを含有するガスを、前記触媒を含有するスペースに通じること
を含む方法であり、前記N2OおよびNOxを含有するガス、前記スペースまたはその両者は、必要により加熱されるものである。
前記触媒は、特に、貴金属および遷移金属を担持するゼオライトであり、ゼオライトへの貴金属および遷移金属の担持は、ゼオライトに貴金属と遷移金属を同時に担持させることにより行われる。
必要ならば、前記分解反応は、当該仕込み物を、N2Oの(完全なもしくは部分的な)分解が生じる温度に加熱することを伴い得る;しかしながら、N2OおよびNOxを含有するガスは、廃ガスなので、既に、要求される温度にあるか、要求される温度に冷却されていることがあり得る。前記スペースは、例えば当業者に知られている反応器(あるいは反応器チャンバ)である。
本発明の説明において、NOxは、NO、NO2、N23等のような、xが1またはそれ以上のいずれもの窒素酸化物と定義される。それは、N2O、すなわち笑気をカバーしない。NOは、一般に、xが1を超える窒素酸化物と平衡している。本発明で請求されている触媒は、NO、NO2等(すなわち、NOx)のあり得る存在によりその安定性を損なわれることなく、N2OおよびNOxを含有するガス中のN2Oの分解のために著しく適していることが見いだされている。従って、本発明の態様の一つは、N2OおよびNOxを含有するガスがNOx(ここで、xは1またはそれ以上、例えば、x=1、3/2、2等)をも含有する場合の方法を提供する。いうまでもなく、前記ガスは、かかるNOx種の組合せも含み得る。特に、N2OおよびNOxを含有するガスは、少なくともN2O、NOおよびNO2を含有する。
特に、本発明は、N2OおよびNOxを含有するガスが基本的に炭化水素を含まない場合におけるN2Oの分解に関する。N2O含有ガスは、好ましくは、N2O含有ガスの総量に対して計算して、50ppm未満の炭化水素を含有し、あるいは例えば、N2OおよびNOxを含有するガス中のN2Oの総量について計算して、3vol%未満の炭化水素を含有する。より特には、該ガスは、基本的に、Cn2n+2(ここで、nは、全ての異性体を含んで好ましくは1〜4から選ばれる)を含有しない。
2OおよびNOxを含有するガス中のN2Oの接触分解のための方法のプロセス条件は、対象となる用途に依存する。当業者は、一般に、触媒の体積、ガスの流量、温度、圧力等を、変換において最良の結果が得られるように選択するであろう。良好な結果は、例えば、N2OおよびNOxを含有するガス中の約100ppm以上、例えば約100〜100000ppmのN2O含有率で得られる。実際的な条件下では、N2Oの量は、一般に、N2OおよびNOxを含有するガスにおいて約100〜3000ppmである。好ましくは、N2OおよびNOxを含有するガスは、約200〜200000h-1、好ましくは1000〜100000h-1のガス時空間速度(GHSV)で導入され、この値は、使用する触媒の体積で計算される。N2OおよびNOxを含有するガスの圧力は、対象となる用途に依存し、約1〜50バール(a)、好ましくは約1〜25バール(a)[バール(a)=bar atmosphere]であり得る。本方法は、比較的低い温度で行うことができる。N2Oの変換は、約300℃で開始する。実質的に完全な変換は、ガス空間速度、触媒の体積、触媒の量等の条件によるが、約375℃で既に得ることができる。この反応は、好ましくは、300〜600℃、例えば350〜600℃、好ましくは350〜500℃の温度で行われる。
本発明で請求する方法は、例えば、非常発電装置により、ガスエンジン、硝酸の製造設備により放出されるN2O、カプロラクタムの製造中に、または流動床中での石炭の燃焼時に放出されるN2O等の接触還元に使用することができる。従って、本発明は、本発明で請求する触媒の、例えば、N2Oの接触分解のための使用にも関する。本発明で請求する方法は、また、例えば硝酸の工業的製造で放出されるNOxの除去のための触媒と組み合わせて使用することができる。
本発明で請求するように使用されるゼオライトは、例えば以下のものであり、それらは、その略号(例えば、2001年Elseviers Science, ISBN 0-444-50701-9のCh.Baerlocher, W.M. MeierおよびD.H. OlsonによるAtlas of Zeolite Framework Typesを参照)の下で当業者に知られているものである:ABW、ACO、AEI、AEL、AEN、AET、AFG、AFI、AFN、AFO、AFR、AFS、AFT、AFX、AFY、AHT、ANA、APC、APD、AST、ASV、ATN、ATO、ATS、ATT、ATV、AWO、AWW、BCT、*BEA、BEC、BIK、BOG、BPH、BRE、CAN、CAS、CFI、CGF、CGS、CHA、-CHI、-CLO、CON、CZP、DAC、DDR、DFO、DFT、DOH、DON、EAB、EDI、EMT、EPI、ERI、ESV、ETR、EUO、FAU、FER、FRA、GIS、GME、GON、GOO、HEU、IFR、ISV、ITE、ITH、ITW、IWR、IWW、JBW、KFI、LAU、LEV、LIO、LOS、LOV、LTA、LTL、LTN、MAZ、MEI、MEL、MEP、MER、MFI、MFS、MON、MOR、MSO、MTF、MTN、MTT、MTW、MWW、NAB、NAT、NES、NON、NPO、OFF、OSI、OSO、-PAR、PAU、PHI、PON、RHO、-RON、RSN、RTE、RTH、RUT、RWY、SAO、SAS、SAT、SAV、SBE、SBS、SBT、SFE、SFF、SFG、SFH、SFN、SGT、SOD、SSY、STF、STI、STT、TER、THO、TON、TSC、UEI、UFI、UOZ、USI、VET、VFI、VNI、VSV、WEI、-WEN、YUGおよびZON。(担持)ゼオライトの組合せも使用できる。
好ましいゼオライトは、ケイ素およびアルミニウムに基づく、2〜60、好ましくは2.5〜30のSi/Al比を有するものである。良好な結果が、例えば、FAU、FER、CHA、MOR、MFI、BEA、EMT、CON、BOGおよびITQ−7を含む群から選ばれるゼオライトを用いて得られる。好ましい態様において、本発明は、ゼオライトがFER、CHA、MORおよびBEAを含む群から選ばれるところの方法に関する。特にBEAおよび/またはFER、殊にBEAが使用される。
本発明による触媒を調製する種々の方法がある。ゼオライトには、当業者によく知られた方法のような方法により担持させ得る。例えば、湿式含浸[ここでは、(溶解した塩)を有する液体の体積は、ゼオライトの気孔容積よりも大きい]により調製することができ、あるいは乾式含浸もしくはインシピエント・ウェットネス(incipient wetness)としても知られている気孔容積含浸[ここでは、(部分的に溶解した塩)を有する液体の体積は、ゼオライトの気孔容積と同じである]により調製することができ、あるいはイオン交換[液相での交換。ここでは、当業者に知られているように、交換される金属は、イオン(または錯イオン)の形態で液相に少なくとも部分的に溶解しており、そしてゼオライトは、交換されるイオンを有する液体中で攪拌される]により調製することができ、あるいはCVDにより調製される。N2OおよびNOxを含有するガス中のN2Oの接触分解は、好ましくは、前記第1の金属および第2の金属をイオン交換または含浸により担持し、そしてそのままかあるいはいくつかの任意のさらなる工程例えば乾燥、スクリーニングおよび/または焼成、担持体への適用等を経た後にN2OおよびNOxを含有するガス中のN2Oの接触分解のために用いられるゼオライトを用いて行われる。
本発明において、使用する金属は、当業者に金属として知られている元素(例えば、IUPAC表記による周期表の3〜12族の金属)である。本発明において、遷移金属は、周期表(IUPAC表記による)の3族〜12族の金属であり、これらは、Ib、IIb〜VIIb族としても知られている。第2の金属は、同時に貴金属であることのない遷移金属である。貴金属は、金属Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、PtおよびAuである。
ゼオライトへの担持は、一般的に、溶液としての塩(イオン交換用)の使用を含み、ここで金属は、イオンの形態で(通常水中に)存在するものであり、あるいは担持は、溶液[湿式含浸または気孔容積含浸(インシピエント・ウェットネス)について]の使用を含み、ここで金属は、溶液中イオンとしておよび/もしくは塩化合物中のイオンとして存在する。イオン交換(液相中で)または気孔容積含浸を用いることが好ましいので、触媒は、調製後、焼成前に、一般に、金属がイオンの形態で存在している(そしてAlと配位している)ゼオライトを含有する。焼成後および/または本発明による方法の実施中に、イオンの形態で存在する金属の一部は、交換された場で、例えば当該粒子のクラスター化により、酸化物および/または金属に変換され得る。金属との交換後のこのゼオライトの挙動は、当業者によく知られている。従って、本発明において「金属」は、金属イオンをも意味し、そして例えば担持(金属の適用)後ゼオライトは金属酸化物もしくは金属塩(例えば、塩化物、オキシ塩化物、硝酸塩、硫酸塩等)をも含み得る。
ゼオライトは、一般に、担持後乾燥される。ついでゼオライトを焼成することができる。焼成(空気または酸素中での加熱)の代わりに、ゼオライトを、還元(還元性雰囲気中での加熱)または不活性雰囲気中で活性化(不活性雰囲気中での加熱)することもできる。当業者は、これら操作を「後修飾手法」として知っている。焼成は、通常、例えば400〜550℃の温度で行われ、還元は、水素を用いて例えば300〜500℃の温度で行うことができ、不活性雰囲気での活性化は、窒素、アルゴン、ヘリウム等を用いて、例えば約300〜550℃の温度で行うことができる。これらの手法は、一般に、2,3時間かかる。
具体的な好ましい態様は、第2の金属がFeを含み、ゼオライトがFERおよび/またはBEAを含むところの方法および触媒を含む。
文献DE102006013234/WO2007107371は、パラジウム、白金、スズ酸化物、キャリヤー酸化物およびゼオライトを含む組成物を含有する接触変換剤を記載する。任意に、この接触変換剤は、ガリウム、インジウムまたは鉄の酸化物でドープされ得る。上記文献は、また、上記接触変換剤の製造方法、リーンな内燃機関および排気ガスから汚染質を除去するためのその使用、および一酸化炭素および炭化水素を酸化する一方、すす粒子を酸化により除去することにより、上記触媒を用いてリーンな内燃機関の排気ガスから汚染質を除去するための方法を記載している。しかしながら、この技術は、N2Oの分解に関係するものではない。さらに、上記文献は、バインダーとゼオライトとの同時担持を記載している。さらに、これらの文献は、不所望のさらなる金属を含み得るシステムを記載している。
本発明において、触媒は、金属担持ゼオライトに加えて、さらに、バインダーを含んでいてもよく、ここで、該バインダーは、好ましくは、ゼオライトが担持する金属を担持していない。他の態様において、触媒は、金属担持ゼオライトに加えて、さらに、バインダーを含んでいてもよく、ここで、該バインダーは、好ましくは、第1の金属および第2の金属を担持しておらず、ここで、該第1の金属は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金および金を含む貴金属の群、特にルテニウムおよび白金を含む貴金属の群から選ばれ、該第2の金属は、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルおよび銅を含む遷移金属の群から選ばれ、特に鉄である。好ましくは、前記バインダーは、これらの金属のどれをも担持せず、好ましくは金属を全く担持せず、そしてゼオライトが本発明の方法により担持した後、バインダーと組み合わされる。従って、本触媒の調製方法は、かくして得られた触媒を、バインダーと組み合わせることをさらに含み得、ここで、バインダーは、ルテニウム、白金および鉄を、より好ましくはここに示す第1の金属または第2の金属のいずれをも、担持していないバインダーである。
ゼオライトは、特にバインダーとともに、モノリスのような支持体に設けることができる。従って、本発明は、前記触媒を備えた、モノリスのような担体にも関する。例えば、触媒は、モノリスにウォッシュコートすることができる。従って、前記触媒を調製するための方法は、得られた触媒をモノリスと組み合わせることをさらに含み得る。好ましくは、前記モノリスは、前記第1の金属および第2の金属を担持していないモノリスであり、ここで前記第1の金属は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金および金を含む貴金属の群、特にルテニウムおよび白金を含む貴金属の群から選ばれ、前記第2の金属は、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルおよび銅を含む遷移金属の群から選ばれ、特に鉄である。好ましくは、前記モノリスは、これらの金属のいずれをも担持せず、好ましくは金属を全く担持していない。一つの態様において、前記モノリスは、ルテニウム、白金および鉄を担持していない。
具体的な態様において、前記ゼオライトは、第1の金属および第2の金属だけを担持し、特にFeと、PtおよびRuのうちの1つまたはそれ以上とだけを担持する。
本発明は、また、金属を担持するゼオライトが、Fe,Rh−FER、Fe,Ir−FER、Fe,Ru−FER、Fe,Pt−FER、Fe,Pt−MOR、Fe,Rh−BEA、Fe,Ir−BEA、Fe,Ru−BEAおよびFe,Pt−BEAを含む、特に前記FERおよびBEAの変種を含む群から選ばれる。
本発明による触媒は、好ましくは、約0.00001〜4重量%(0.00001重量%は、10ppmである)の第1の金属、および約0.1〜10重量%の第2の金属を含有するゼオライトを含む。より特には、ゼオライトは、約0.01〜0.5重量%の第1の金属および約0.5〜4重量%の第2の金属を含有する。いうまでもなく、「第1の金属」の組合せおよび「第2の金属」の組合せを用いることができ、例えば、Fe,Ir,Ru−FER、Co,Ni,Ir−MORおよびCo,Ni,Rh,Os−MOR等である。同様に、第1および第2の担持操作は、1またはそれ以上のさらなる担持操作を除外するものではない。表示M2−M1−ゼオライトおよびM2,M1−ゼオライトは、それぞれ、ゼオライトにまず第1の金属(M1)を担持させ、ついで第2の金属(M2)を担持させたもの、および2種の金属(M1,M2)を同時にゼオライトに担持させたものを示す。しかしながら、好ましくは、ゼオライトは、少なくとも、Feと、RuおよびPtのうちの1またはそれ以上とを担持し、任意に、本明細書に記載する他の第1および/または第2の金属の1つ(だけ)を(同時に)担持する。従って、本方法は、また、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルおよび銅からなる群から選ばれる1またはそれ以上の他の金属(Feと、RuおよびPtのうちの1またはそれ以上とを除く)を同時に担持させることを含み得る。
本発明による触媒は、好ましくは、前記ゼオライトのみを含有する。他の態様において、当業者に知られているように、前記触媒は、前記ゼオライトと、ある量のキャリヤー、例えば0.1〜50重量%の、例えばペレットの形態にある、ベーマイトとを含むか、またはモノリス上に適用される。金属(第1の金属および第2の金属)の量は、ゼオライトの量に対して計算され、前記金属は、ゼオライトの上または中に存在する。
イオン交換のために、よく知られた塩、例えば易溶性硝酸塩が用いられる。使用するゼオライトは、H、Na、KまたはNH4の形であり得、例えばNH4−BEA、H−FER等である。イオン交換プロセスは、約0.00001〜4重量%の第1の金属がゼオライトに存在することを確保するにたる時間長で続行されるか、そうなるように何度も繰り返される。他の方法でゼオライトに担持させることもできる(気孔容積含浸等)。ついで、好ましくは、ゼオライトを濾別し、洗浄し、そしておそらく乾燥する。その後、ゼオライトに0.1〜10重量%の第2の金属を担持させる。これは、イオン交換(液相で)または気孔容積含浸(インシピエント・ウェットネス法)等(前記参照)により行うことができる。ついで、ゼオライトを乾燥し、必要なら焼成する。

試験装置
2O(およびおそらくNOx)の接触分解を、半自動実験設備で検討した。ガスは、マスフローコントローラ(MFC)を用いて導入し、水は、正しい温度に設定されたサチュレータを用いて添加した。パイプ類は、凝縮を防止するために、130℃に加熱した。実験は、オーブン中に設置した0.6〜1cmの内径を有する石英反応器中で行った。触媒の0.25〜0.5mmの分級物を石英ガーゼ上に置いた。ガス相を、モデル9100ガス分析器を備えた、較正したボーメン(Bomen)MB100フーリエ変換赤外(FTIR)分光計によるか、またはパーキン・エルマー(Perkin Elmer)GC−TCDによる定量分析に供した。各例におけるキャリヤーガス(残部)は、N2であった。
典型的に、N2Oの変換率は、時間の関数として、および温度の関数として測定した。触媒は、空気中、2℃/分で260℃まで加熱し、触媒を脱水した。ついで、触媒を反応混合物にさらした。各温度において、触媒を、15分間の平衡時間で定常状態に達しさせ、その後、FTIR測定(3回、5分間隔)を行った。ついで、温度を2℃/分で10℃上昇させ、上記測定手法を、最高温度500℃に達するまで、繰り返した。
例1:担持ゼオライトの調製
Figure 2011527629
Cat1:Fe−Ru−BEA
この触媒は、液相中のゼオリスト(Zeolyst)BEA CP814とFeCl2・4H2OおよびRu(NH46Cl3との間の80℃での16時間掛けた、該ゼオライトが0.3重量%のRuおよび0.7重量%のFeを担持するまでのイオン交換により調製した。ついで、ゼオライトを濾別し、十分に洗浄し、80℃で乾燥した。前記反応前に、この触媒をその場で5時間550℃で焼成した。
Cat2:Fe−BEA
この触媒は、液相中のゼオリストBEA CP814とFeCl2・4H2Oとの間の80℃での16時間掛けた、該ゼオライトが0.7重量%のFeを担持するまでのイオン交換により調製した。ついで、ゼオライトを濾別し、十分に洗浄し、80℃で乾燥した。前記反応前に、この触媒をその場で5時間550℃で焼成した。
Cat3:Fe−Ru−BEA2
この触媒は、液相中のゼオリストBEA CP814とFeCl2・4H2OおよびRu(NH46Cl3との間の80℃での16時間掛けた、該ゼオライトが0.02重量%のRuおよび0.7重量%のFe(ICP分析による)を担持するまでのイオン交換により調製した。ついで、ゼオライトを濾別し、十分に洗浄し、80℃で乾燥した。前記反応前に、この触媒をその場で5時間550℃で焼成した。
Cat4:Fe−Pt−BEA
この触媒は、液相中のゼオリストBEA CP814とFeCl2・4H2OおよびPt(NH34Cl2との間の80℃での16時間掛けた、該ゼオライトが0.05重量%のPtおよび0.7重量%のFe(ICP分析による)を担持するまでのイオン交換により調製した。ついで、ゼオライトを濾別し、十分に洗浄し、80℃で乾燥した。前記反応前に、この触媒をその場で5時間550℃で焼成した。
Cat5:Fe−Ru−BEA3
この触媒は、触媒活性金属のゼオライトへの順次担持により調製した。ゼオリストBEA CP814を、液相中でRu(NH46Cl3との80℃で16時間掛けたイオン交換に供した。ついで、ゼオライトを濾別し、十分に洗浄し、80℃で乾燥した。次に、このRu−BEA触媒に、FeCl2・4H2Oを用いて、0.7重量%のFe(ICP分析による)を担持させた。Ru担持量は、0.02重量%(ICP分析による)になった。前記反応前に、この触媒をその場で5時間550℃で焼成した。
CatPA1:FeZSM−5
この触媒は、液相中のアルシ・ペンタ(Alsi Penta)SN27ゼオライトZSM−5とFeCl2・4H2Oとの間の80℃での16時間掛けた(これは、2.5重量%のFe担持量を与えるように計算した)イオン交換により調製した。ついで、ゼオライトを濾別し、十分に洗浄し、80℃で乾燥した。前記反応前に、この触媒をその場で5時間550℃で焼成した。
CatPA2:Ru−ZSM−5
この触媒は、液相中のアルシ・ペンタSN27ゼオライトZSM−5とRu(NH46Cl3との間の80℃での16時間掛けた(これは、0.3重量%のRu担持量を与えるように計算した)イオン交換により調製した。ついで、ゼオライトを濾別し、十分に洗浄し、80℃で乾燥した。前記反応前に、この触媒をその場で5時間550℃で焼成した。
CatPA3:Fe−Ru−ZSM−5
この触媒は、液相中のアルシ・ペンタSN27ゼオライトZSM−5とRu(NH46Cl3およびFeCl2・4H2Oとの間の80℃での16時間掛けた(これは、0.3重量%のRu担持量および2.5重量%のFe担持良を与えるように計算した)イオン交換により調製した。ついで、ゼオライトを濾別し、十分に洗浄し、80℃で乾燥した。前記反応前に、この触媒をその場で5時間550℃で焼成した。
Cat6:FePtBEA seq.
この触媒は、順次イオン交換により調製した。まず、ゼオリストBEA CP814eを、(NH34Pt(NO32と、80℃で16時間交換し、ついで、洗浄し、80℃で乾燥した。次に、このFe担持Fe−BEAを、FeCl2・4H2Oと、80℃で16時間交換し、0.50重量%のPt(ICP分析による)および1.45重量%のFe(ICP分析による)の担持を達成した。ついで、ゼオライトを濾別し、十分に洗浄し、80℃で乾燥した。前記反応前に、この触媒をその場で5時間550℃で焼成した。
Cat7:FePtBEA Co.
この触媒は、FeCl2・4H2Oおよび(NH34Pt(NO32による、80℃での16時間掛けて0.05重量%のPt(ICP分析)および1.45重量%のFe(ICP分析による)の担持を達成する、ゼオリストBEA CP814eの共イオン交換により調製した。ついで、ゼオライトを濾別し、十分に洗浄し、80℃で乾燥した。前記反応前に、この触媒をその場で5時間550℃で焼成した。
Cat8:Fe−Ru−BEA Co.
この触媒は、FeCl2・4H2OおよびRu(NH46Cl3による、80℃での16時間掛けて0.1重量%のRu(ICP分析)および1.45重量%のFe(ICP分析による)の担持を達成する、ゼオリストBEA CP814eの共イオン交換により調製した。ついで、ゼオライトを濾別し、十分に洗浄し、80℃で乾燥した。前記反応前に、この触媒をその場で5時間550℃で焼成した。
Cat9:FePtBEA Co.
この触媒は、FeCl2・4H2Oおよび(NH34Pt(NO32による、80℃での16時間掛けて0.55重量%のPt(ICP分析)および0.60重量%のFe(ICP分析による)の担持を達成する、ゼオリストBEA CP814eの共イオン交換により調製した。ついで、ゼオライトを濾別し、十分に洗浄し、80℃で乾燥した。前記反応前に、この触媒をその場で5時間550℃で焼成した。
Cat10:FePtPdSnBEA Co.
この触媒は、FeCl2・4H2O、(NH34Pt(NO32、FeCl2・4H2OおよびPd(NH34(NO32による、80℃での16時間掛けて0.59重量%のPt(ICP分析)、0.60重量%のFe(ICP分析による)、1.1重量%のPd(ICP分析による)および1.1重量%のSn(ICP分析による)の担持を達成する、ゼオリストBEA CP814eの共イオン交換により調製した。ついで、ゼオライトを濾別し、十分に洗浄し、80℃で乾燥した。前記反応前に、この触媒をその場で5時間550℃で焼成した。
例2(参照例):Fe、Fe/RuおよびRuで交換された各ZSM−5によるN2Oの分解
例1に記載し、先行技術から知られる触媒PA1〜PA3を、表2に記載する条件下でのN2Oの分解に用いた。
Figure 2011527629
ここでは、以下の結果を得た。
Figure 2011527629
これらのデータは、ZSM−5を用いた液相中での共イオン交換(第1および第2の金属の同時交換)、すなわちFeおよびRuのゼオライトへの同時担持は、単一担持Fe−ZSM−5と比較して当該触媒をほとんど改善したいことを示している。
例3:Fe/RuおよびFeで交換された各BEAによるN2Oの分解
例1の触媒1および2を用いて、表4に示す条件下で、N2Oを分解した。
Figure 2011527629
ここで得られた結果を以下に示す。
Figure 2011527629
これらのデータは、FeおよびRuのゼオライトへの同時担持(共イオン交換)は、単一担持Fe−ZSM−5と比較して明らかに改善された触媒を与えることを示している。
例4:例3:Fe/RuおよびFe/Ptで交換された各BEAによるN2Oの分解
触媒3および4を、表6に示す条件下でのN2Oの分解に用いた。
Figure 2011527629
Figure 2011527629
これらのデータは、FeとFu、またはFeとPtのゼオライトへの同時担持(共イオン交換)は、顕著に安定なN2O分解触媒を与えることを示したイル。従って、第2の金属の導入は、N2O変換の安定性を害することなく、強い活性増加効果を明らかに有する。
例5順次担持および同時担持によりFe/Ruで交換されたBEAによるN2Oの分解
例1の触媒3および5を、表4に示す条件下でN2Oを分解するために用いた。
Figure 2011527629
ここで得られた結果を以下に掲げる。
Figure 2011527629
これらのデータは、FeおよびRuのゼオライトへの同時担持(共イオン交換)は、順次担持FeRuBEAと比較して顕著に改善された触媒を与えることを示している。
例6:FeおよびRuで共交換されたFe/Ru−ZSM−5(PA3)およびFe/Fu−BEA(Cat1)を用いたN2Oの分解
例1の触媒PA3およびCat1(Fe−Ru−BEA)を用いて、表2に掲げる条件下でN2Oを分解した。以下の結果を得た。
Figure 2011527629
FeおよびRuの同時担持ZSM−5と比べて、FeおよびRuの同時担持BEAは明らかに改善された触媒を与えると結論付けられた。共イオン交換によりFeおよびRuを組み合わせることの正の効果がBEAについて観察される一方、ZSM−5ゼオライトについては、共イオン交換によるFeおよびRuの組合せは、Fe−ZSM−5類似体(例2参照)と比べて、N2Oの変換を有意に改善しなかった。明らかに、FeおよびRuの共イオン交換によりFeおよびRuの有益な相乗効果は、ゼオライトの種類に依存する。
例7:FeおよびRuで共交換されたFe/Ru−ZSM−5およびFe/Ru−BEAを用いたN2O分解の安定性
例1の触媒PA3および触媒1(Fe−Ru−BEA)を用いて、表12に示す条件下でN2Oを分解した。
Figure 2011527629
Figure 2011527629
FeおよびRuを同時に担持したBEAは、FeおよびRuを同時に担持したZSM−5と比べて明らかにより安定なN2O触媒を与えるものと結論付けられた。Fe−Ru−BEAは、測定時間(本例において、230時間)中一定のN2O変換率を示す一方、Fe−Ru−ZSM−5は、操作50時間内に約10%ポイントに達するN2O変換率の一定の低下を示す。
例8:共イオン交換されたFeRuBEA Co.およびFeおよびPtで共イオン交換されたFePtBEA Co.を用いたN2Oの分解
触媒CAT7すなわちFePtBEA Co.および触媒CAT8すなわちFeRuBEA Co.を用いて、表13に掲げる条件下でN2Oを分解した。
Figure 2011527629
以下の結果が得られた。
Figure 2011527629
擬1次速度定数は、
k=(F/(mcatPM・p))・ln(1−X)
と定義され、ここで、Fは、総流量、mcatは、触媒中のPM(貴金属、それぞれ、PtおよびRu)の質量、pは、全圧、Xは変換率である。
速度定数は、変換率ではなく、触媒の実際の活性を比較するものである。FeおよびPtで共イオン交換された同時担持BEAは、FeおよびRuを同時担持したBEAと比べて、明らかに一層活性な触媒を与えると結論付けられた。
例9:順次交換されたFePtBEA Seq.およびFeおよびPtで共イオン交換されたFePtBEA Co.を用いたN2Oの分解
Cat6すなわちFePtBEA Seq.およびCAT7すなわちFePtBEA Co.を用いて、表14に掲げる条件下でN2Oを分解した。
Figure 2011527629
以下の結果を得た。
Figure 2011527629
擬1次速度定数は、
k=(F/(mcatPt・p))・ln(1−X)
と定義され、ここで、Fは、総流量、mcatは、触媒中のPtの質量、pは、全圧、Xは変換率である。
FeおよびPtで共イオン交換された同時担持BEAは、RuおよびFeを順次担持したBEAに比べて、明らかにより一層活性な触媒を与えると結論付けられた。
例10:FePtBEA Co.およびFe、Pt、SnおよびPdで共イオン交換されたFePtPdSnBEA Co.を用いたN2Oの分解
触媒9すなわちFePtBEA Co.および触媒10すなわちFePtPdSnBEA Co.を用いて、表16に掲げる条件下で、N2Oを分解した。
Figure 2011527629
以下の結果を得た。
Figure 2011527629
FeおよびPtを同時担持した共イオン交換BEAは、Fe、Pt、PdおよびSnを同時担持した共イオン交換BEAと比べて、明らかに改善されたN2O変換触媒を与えると結論付けられた。Fe、Pt、PdおよびSnの塩のイオン交換プロセス中に、活性FeおよびPtサイトの最終の位置およびおそらく状態が、FeおよびPtの塩だけを用いて得られた状況と異なるものと考えられる。N2O分解についての文献は、活性N2O分解サイトの位置および性質の重要性についての多くの例を示している。結局は、FeとPtおよびRuのうちの1つまたはそれ以上と一緒の、FeとPtおよびRuのうちの1つまたはそれ以上以外の元素の塩によるBEAゼオライトの同時交換は、N2O分解変換活性に有害であるかもしれない。

Claims (21)

  1. 触媒の存在下に、N2OおよびNOxを含有するガス中のN2Oを接触分解するための方法であって、前記N2OおよびNOx含有ガスを触媒と接触させるものであり、前記触媒は、ルテニウムおよび白金を含む貴金属の群から選ばれる第1の金属と、鉄を含む遷移金属の群から選ばれる第2の金属を担持するゼオライトを含み、前記ゼオライトは、FERおよびBEAを含む群から選ばれ、そして前記ゼオライトによる前記金属の担持は、前記貴金属と前記遷移金属を同時に前記ゼオライトに担持させることにより行われる該方法。
  2. 前記ゼオライトが、イオン交換により前記金属を担持する請求項1に記載の方法。
  3. 前記第1の金属が、ルテニウムを含む請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記第1の金属が、白金を含む請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記触媒が、Fe、Pt−BEAを含む請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記ゼオライトが、0.00001〜4重量%の第1の金属、および0.1〜10重量%の第2の金属を含む請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記N2OおよびNOxを含有するガスを、350〜600℃の範囲内の温度で前記触媒と接触させる請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記N2OおよびNOxを含有するガスが、1〜10000モル/モルの範囲内にあるN2O/NOx比を有する請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記N2O含有するガスが、酸素および/または水をも含有する請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記N2O含有するガスが、基本的に、炭化水素を含まず、好ましくは50ppm未満の炭化水素を含む請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
  11. NOxを除去するために、触媒をも用いる請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記ゼオライトが、前記第1の金属および第2の金属をもっぱら担持する請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記触媒が、前記ゼオライトとバインダーとの組合せを含み、前記バインダーは、ルテニウム、白金および鉄を担持していない請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 2OおよびNOxを含有するガス中のN2Oの接触分解のための、FERおよびBEAからなる群から選ばれるゼオライトを含有する触媒の調製のための方法であって、前記触媒の調製は、ルテニウムおよび白金からなる貴金属の群から選ばれる第1の金属と、鉄からなる遷移金属の群から選ばれる第2の金属とを同時に前記ゼオライトに担持させることを含む方法。
  15. 前記ゼオライトが、前記第1の金属および第2の金属をもっぱら担持する請求項14に記載の方法。
  16. ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルおよび銅からなる群から選ばれる1またはそれ以上の他の金属を同時にゼオライトに担持させる請求項14に記載の方法。
  17. 得られた触媒をバインダーと組み合わせることをさらに含み、前記バインダーは、ルテニウム、白金および鉄を担持していないバインダーである請求項14または15に記載の方法。
  18. 得られた触媒をモノリスと組み合わせることをさらに含み、前記モノリスは、ルテニウム、白金および鉄を担持していないモノリスである請求項14〜17のいずれか一項に記載の方法。
  19. 請求項14〜18のいずれか一項に記載の方法により調製され得る触媒。
  20. ゼオライトが、0.00001〜4重量%の第1の金属、および0.1〜10重量%の第2の金属を含有する請求項19に記載の触媒。
  21. 該触媒が、Fe,Pt−BEAを含有する請求項19または20に記載の触媒。
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